#11 역방향 항복, 애벌런치

 

저번 포스팅에서 언급했던 saturation current에 대해서 더 알아보겠습니다. 다이오드에 reverse bias를 가해줄 때 흐르는 미세한 전류를 saturation current라고 했습니다. saturation current를 수식으로 풀면 아래와 같습니다.

 

saturation current

ni^2에 비례하는 걸 알 수 있습니다. 실리콘보다 ni가 훨씬 큰 저마늄(ni = 10^13)같은 경우는 saturation current가 10^6배 크겠죠. 분모 부분에는 Na와 Nd가 있는데 이 말은 즉 p가 다수캐리어인 다이오드에는 Nd가 포함된 term이 0으로 되고, n이 다수캐리어인 다이오드에서는 Na가 포함된 term이 0이 된다는 뜻입니다. 결국 소수 캐리어에 의해 saturation current가 결정된다는 뜻입니다.

 

소수 캐리어 수에 따른 i-v 곡선

위 그림처럼 소수 캐리어가 더 적은 다이오드의 경우에는 saturation current가 더 크지만 forward bias에서 전압 대비 전류의 특성이 더 좋은 것을 확인할 수 있습니다. 스위치가 열릴 때 (reverse bias)에서 누설전류는 더 크다는 단점이 있지만 스위치가 닫힐 때 (forward bias)에서의 전류 성능은 더 좋다는 것이죠. 둘을 모두 만족시키기 위해서는 적절한 조절이 필요할 것입니다.

 

 

reverse bias를 더 세게 가해준다면 일정 전압 이상에서 전류가 급격히 상승하게 됩니다. 이때의 전압을 break down voltage, 항복전압이라고 합니다.

 

항복전압이 나타난 i-v곡선

 

항복전압을 결정하는 요소는 1. 밴드갭 에너지 2. lightly doping 된 곳의 doping level 에 따라 결정됩니다.

밴드갭에너지가 높은 물질을 쓴다면 항복전압도 그만큼 높아지게 되고, lightly doping level의 0.75승의 반비례합니다. 즉, 물질의 종류와 도핑레벨에 따라 달라집니다.

 

Breakdown이 발생하는 이유는 두 가지가 있습니다.

 

1. 애벌런치 현상

 

애벌런치에 의한 multiplication

역전압이 다이오드에 걸리면 에너지 밴드 다이어 그램에서 배리어는 높아지게 됩니다. 그만큼 강한 전압이 걸려있다는 뜻이고, 전기장도 그만큼 강해집니다. reverse current를 이루는 캐리어는 이 배리어를 지나면서 강한 에너지를 받게 됩니다. 가속이 시작되는 거죠. 역전압이 점점 더 세게 걸리면 이 현상은 커지게 됩니다. 캐리어가 scattering하면서 에너지를 잃기도 하고 이 잃은 에너지가 실리콘 본딩을 깨고 generation을 이루기도 합니다 (impact ionization). 즉 캐리어가 generation에 의해 더 생기는 것이죠. 전류가 더 세지고, 많은 캐리어들이 가속되면서 점점 캐리어가 기하급수적으로 늘어납니다. 이 현상을 multiplicaton이라고 부릅니다. 결국 일정 임계 전압을 넘게 되면 break down이 발생하게 되는 거죠. 여기서 주의할 점은 이 임계전압을 넘는 순간 이 현상이 생기는게 아닙니다. 그 이전부터 애벌런치는 일어나고 있습니다. 단지 작을 뿐이죠. 

 

따라서 항복전압은 scattering의 영향도 받기 때문에 온도가 높아져 scattering이 커지게 되면, 캐리어가 부딪히기전 떠다니는 시간이 짧아지게 됩니다. mean free path가 짧아진도고도 표현할 수 있습니다. 가속되는 시간이 줄어들기 때문에 항복전압이 높아지게 됩니다.

 

2. 제너 현상

 

양자역학적인 관점에서 에너지 배리어를 캐리어가 관통해버리는 현상입니다. 터널링이라고도 부르는 이 현상은 두 가지 조건이 존재합니다. 1. 한 쪽은 꽉찬 state이고 배리어 너머는 비어있으며 두 쪽 모두 같은 에너지 상태여야 한다. 2. 배리어의 폭은 10nm 이하여야 한다. 이 조건에서 reverse bias가 커지면 터널링 전류는 커지게 됩니다.

 

한 쪽은 꽉찬 상태, 배리어 건너편은 빈 상태

제너 현상은 온도가 커지면 더 빈번히 일어납니다. 온도가 높아지면 캐리어의 활동성이 높아져 밴드갭 에너지가 줄어들게 됩니다. 밴드갭에너지가 줄어든다는 것은 터널링이 더 쉬워지게 되죠.